晶圆减薄抛光工艺简介

经过前端工艺处理并通过晶圆测试的晶圆将从背面减薄（Back Grinding）和抛光（Polishing）开始后端处理。晶圆减薄抛光是为了改善热性能、适应封装需求、增加柔韧性、提高器件性能和良率等目的而进行的。每一步都需要精密的控制和测试，以确保减薄抛光后的晶圆能够满足后续工艺和最终产品的需求。

背面减薄抛光是将晶圆背面磨薄的工序，其目的不仅是为了减少晶圆厚度，还在于联结前端和后端工艺以解决前后两个工艺之间出现的问题。半导体芯片（Chip）越薄，就能堆叠（Stacking）更多芯片，集成度也就越高。但集成度越高却可能导致产品性能的下降。所以，集成度和提升产品性能之间就存在矛盾。因此，决定晶圆厚度的减薄方法是降低半导体芯片成本、决定产品质量的关键之一。

晶圆减薄抛光可以显著改善芯片的散热性能。较薄的晶圆能够更快地将热量传导出去，从而避免芯片过热，提高设备的可靠性和性能。

现代半导体器件越来越追求轻薄短小的封装形式。较薄的晶圆可以使得封装更紧凑，从而满足移动设备等对小尺寸和轻重量的要求。

减薄抛光后的晶圆更加柔韧，可以适应一些特定的应用需求，如可穿戴设备或柔性电子产品。

减薄抛光晶圆后，可以减少寄生效应，尤其是在高频应用中。较薄的晶圆能够减少晶圆上的寄生电容，从而提高器件的电气性能。

减薄抛光工艺可以去除晶圆表面的部分缺陷，提高最终的芯片良率。通过减薄抛光可以去除一些制造过程中引入的表面应力和缺陷。

背面减薄抛光流程主要有以下四个步骤，如图1所示：

第一、临时键合，在晶圆上贴上保护胶带贴膜（Tape Lamination）（或通过融化的石蜡黏贴于玻璃或陶瓷基板上）；

第二、减薄，通过物理或化学方式实现减薄晶圆背面工艺；

第三、抛光，通过该工艺去除减薄过程中表面的划痕或微小破碎痕迹，消除该过程中产生的应力；

第四、分离，通过UV光源或去蜡液等将晶圆与黏贴膜或基板脱离。

图1：有载片减薄抛光工艺流程

Grinding完全通过物理摩擦力去除晶圆表面的材料，通常有砂轮磨削和研磨两种方式。

磨削通常使用含有金刚石颗粒的砂轮，在高速旋转时接触晶圆表面，并用纯水作为冷却液和润滑剂，以达到减薄的目的。图2所示为磨削的示意图，图3是磨削后表面形貌。

图2：机械磨削示意图

图3：磨削工艺后图片，清楚可见磨削痕

研磨是利用磨料的滚轧作用和微切削作用，对材料的破坏以微小破碎为主，研磨后表面形态是由无数微小破碎痕迹构成的均匀无光泽表面。（本中心的设备就是机械研磨式，设备是Logitech 公司的LP70）。图4所示为研磨的示意图，图5是研磨后表面形貌。

图4：机械研磨示意图

图5：研磨工艺后，

图片表面呈现微小破碎痕迹，均匀无光泽

经磨削和研磨工艺及增加抛光工艺后粗糙度Ra表面对比（以SiC样品为例）。

图6：磨削和抛光工艺后表面粗糙度

利用磨削的方法我们可以看出，在磨削后，表面的损伤层并没有完全去除。在之后的使用过程中会对后期产品有影响。如图6所示。

图7：研磨和抛光工艺后表面粗糙度

研磨抛光过程中我们可以看出，如果需要表面质量非常好的样品，研磨抛光的工艺过程更适合。如图7所示。

CMP是一种结合了化学反应和机械研磨的技术。在CMP过程中，研磨液与要抛光的材料先发生轻微化学反应，软化晶圆表面，再用机械研磨去除软化的材料，达到全局平坦化的目的。CMP示意图如图8所示。相对于Grinding，CMP的成本更昂贵。

图8：CMP示意图

使用液态化学药剂来去除晶圆表面的材料。

使用等离子体产生的活性基团来去除晶圆表面的材料。

快速去除大量材料，适合于初步减薄。但可能导致表面损伤和应力，通常需要后续工艺来改善表面质量。

可实现极高的表面光洁度和平整度，适用于要求高精度的应用。但成本较高，过程控制复杂。

成本低，设备简单，操作容易。但蚀刻不够均匀，难以控制蚀刻深度和剖面，减薄后表面粗糙。

成本高，工艺复杂，减薄后表面粗糙。

根据晶圆材料的硬度、薄膜厚度等特征，选择合适研磨盘、夹具和研磨粉。磨粒尺寸应该逐渐减小，防止过大的磨粒造成损伤。

根据具体的晶圆材料、尺寸来调整研磨参数，选择选择合适的加载压力、研磨盘与夹具转速、摆臂速度等参数。

通过对研磨片进行抛光处理，去除减薄过程中晶圆表面产生的微小的缺陷和瑕疵，以及在减薄工艺过程中产生的应力，消除晶圆的翘曲。

精确控制减薄厚度较难：

晶圆的均匀厚度对于保证整批晶圆中的器件具有一致性至关重要。如果采用刻蚀的方法进行减薄，晶圆厚度的均匀性将得不到保障。

控制表面质量较难：

减薄过程中经常会产生表面粗糙度过大、微裂纹，颗粒等其他表面缺陷。 

应力控制较难：

减薄过程中会引入热应力和机械应力，这些应力会导致晶圆弯曲、变形或产生内部缺陷等。

设备的技术服务能力和技术指标：

可以实现最大为6寸晶圆减薄抛光工艺，工艺尺寸向下兼容，也可以对小块样品进行加工工艺，最小尺寸为1cmX1cm。用于硅基及砷化镓、磷化铟等三五族化合物半导体的减薄抛光工艺。

研磨后4寸晶圆总厚度偏差（TTV）±3μm，6寸片（TTV）±5μm。

抛光后4寸晶圆总厚度偏差（TTV）±3μm，6寸片（TTV）±5μm。

机械抛光后，表面平整度Ra≤0.5nm@1um²，图9是经抛光工艺后表面形貌。

样品减薄抛光工艺后最终厚度：单一材质6寸晶圆约100um，键合片被减薄晶圆最终厚度约50um。

图9：6寸减薄抛光后样品展示

抛光后表面无破碎痕迹，镜面化

主要参考文章：

1.  Logitech公司

2. 陈锺文 韩国忠北半导体高等学校 背面研磨(Back Grinding)决定晶圆的厚度

3. 知乎：半导体工程师 晶圆减薄的常见手段

4. 公众号：老虎说芯 晶圆为什么需要减薄？

经过前端工艺处理并通过晶圆测试的晶圆将从背面减薄（Back Grinding）和抛光（Polishing）开始后端处理。晶圆减薄抛光是为了改善热性能、适应封装需求、增加柔韧性、提高器件性能和良率等目的而进行的。每一步都需要精密的控制和测试，以确保减薄抛光后的晶圆能够满足后续工艺和最终产品的需求。

背面减薄抛光是将晶圆背面磨薄的工序，其目的不仅是为了减少晶圆厚度，还在于联结前端和后端工艺以解决前后两个工艺之间出现的问题。半导体芯片（Chip）越薄，就能堆叠（Stacking）更多芯片，集成度也就越高。但集成度越高却可能导致产品性能的下降。所以，集成度和提升产品性能之间就存在矛盾。因此，决定晶圆厚度的减薄方法是降低半导体芯片成本、决定产品质量的关键之一。

晶圆减薄抛光可以显著改善芯片的散热性能。较薄的晶圆能够更快地将热量传导出去，从而避免芯片过热，提高设备的可靠性和性能。

现代半导体器件越来越追求轻薄短小的封装形式。较薄的晶圆可以使得封装更紧凑，从而满足移动设备等对小尺寸和轻重量的要求。

减薄抛光后的晶圆更加柔韧，可以适应一些特定的应用需求，如可穿戴设备或柔性电子产品。

减薄抛光晶圆后，可以减少寄生效应，尤其是在高频应用中。较薄的晶圆能够减少晶圆上的寄生电容，从而提高器件的电气性能。

减薄抛光工艺可以去除晶圆表面的部分缺陷，提高最终的芯片良率。通过减薄抛光可以去除一些制造过程中引入的表面应力和缺陷。

背面减薄抛光流程主要有以下四个步骤，如图1所示：

第一、临时键合，在晶圆上贴上保护胶带贴膜（Tape Lamination）（或通过融化的石蜡黏贴于玻璃或陶瓷基板上）；

第二、减薄，通过物理或化学方式实现减薄晶圆背面工艺；

第三、抛光，通过该工艺去除减薄过程中表面的划痕或微小破碎痕迹，消除该过程中产生的应力；

第四、分离，通过UV光源或去蜡液等将晶圆与黏贴膜或基板脱离。

图1：有载片减薄抛光工艺流程

Grinding完全通过物理摩擦力去除晶圆表面的材料，通常有砂轮磨削和研磨两种方式。

磨削通常使用含有金刚石颗粒的砂轮，在高速旋转时接触晶圆表面，并用纯水作为冷却液和润滑剂，以达到减薄的目的。图2所示为磨削的示意图，图3是磨削后表面形貌。

图2：机械磨削示意图

图3：磨削工艺后图片，清楚可见磨削痕

研磨是利用磨料的滚轧作用和微切削作用，对材料的破坏以微小破碎为主，研磨后表面形态是由无数微小破碎痕迹构成的均匀无光泽表面。（本中心的设备就是机械研磨式，设备是Logitech 公司的LP70）。图4所示为研磨的示意图，图5是研磨后表面形貌。

图4：机械研磨示意图

图5：研磨工艺后，

图片表面呈现微小破碎痕迹，均匀无光泽

经磨削和研磨工艺及增加抛光工艺后粗糙度Ra表面对比（以SiC样品为例）。

图6：磨削和抛光工艺后表面粗糙度

利用磨削的方法我们可以看出，在磨削后，表面的损伤层并没有完全去除。在之后的使用过程中会对后期产品有影响。如图6所示。

图7：研磨和抛光工艺后表面粗糙度

研磨抛光过程中我们可以看出，如果需要表面质量非常好的样品，研磨抛光的工艺过程更适合。如图7所示。

CMP是一种结合了化学反应和机械研磨的技术。在CMP过程中，研磨液与要抛光的材料先发生轻微化学反应，软化晶圆表面，再用机械研磨去除软化的材料，达到全局平坦化的目的。CMP示意图如图8所示。相对于Grinding，CMP的成本更昂贵。

图8：CMP示意图

使用液态化学药剂来去除晶圆表面的材料。

使用等离子体产生的活性基团来去除晶圆表面的材料。

快速去除大量材料，适合于初步减薄。但可能导致表面损伤和应力，通常需要后续工艺来改善表面质量。

可实现极高的表面光洁度和平整度，适用于要求高精度的应用。但成本较高，过程控制复杂。

成本低，设备简单，操作容易。但蚀刻不够均匀，难以控制蚀刻深度和剖面，减薄后表面粗糙。

成本高，工艺复杂，减薄后表面粗糙。

根据晶圆材料的硬度、薄膜厚度等特征，选择合适研磨盘、夹具和研磨粉。磨粒尺寸应该逐渐减小，防止过大的磨粒造成损伤。

根据具体的晶圆材料、尺寸来调整研磨参数，选择选择合适的加载压力、研磨盘与夹具转速、摆臂速度等参数。

通过对研磨片进行抛光处理，去除减薄过程中晶圆表面产生的微小的缺陷和瑕疵，以及在减薄工艺过程中产生的应力，消除晶圆的翘曲。

精确控制减薄厚度较难：

晶圆的均匀厚度对于保证整批晶圆中的器件具有一致性至关重要。如果采用刻蚀的方法进行减薄，晶圆厚度的均匀性将得不到保障。

控制表面质量较难：

减薄过程中经常会产生表面粗糙度过大、微裂纹，颗粒等其他表面缺陷。 

应力控制较难：

减薄过程中会引入热应力和机械应力，这些应力会导致晶圆弯曲、变形或产生内部缺陷等。

设备的技术服务能力和技术指标：

可以实现最大为6寸晶圆减薄抛光工艺，工艺尺寸向下兼容，也可以对小块样品进行加工工艺，最小尺寸为1cmX1cm。用于硅基及砷化镓、磷化铟等三五族化合物半导体的减薄抛光工艺。

研磨后4寸晶圆总厚度偏差（TTV）±3μm，6寸片（TTV）±5μm。

抛光后4寸晶圆总厚度偏差（TTV）±3μm，6寸片（TTV）±5μm。

机械抛光后，表面平整度Ra≤0.5nm@1um²，图9是经抛光工艺后表面形貌。

样品减薄抛光工艺后最终厚度：单一材质6寸晶圆约100um，键合片被减薄晶圆最终厚度约50um。

图9：6寸减薄抛光后样品展示

抛光后表面无破碎痕迹，镜面化

主要参考文章：

1.  Logitech公司

2. 陈锺文 韩国忠北半导体高等学校 背面研磨(Back Grinding)决定晶圆的厚度

3. 知乎：半导体工程师 晶圆减薄的常见手段

4. 公众号：老虎说芯 晶圆为什么需要减薄？

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